国电光伏邓平：集散式相关专题介绍

2015年7月18日，由禾望电气主办的分布式光伏电站设计应用研讨会暨“集散式逆变器应用”现场交流会在杭州隆重召开。本次研讨会以“分布式光伏电站”为主题，围绕光伏集散式逆变器的设计与应用方案展开。会上邀请了来自嘉兴市发改委能源处、江苏省可再生能源行业协会、浙江省太阳能行业协会、中能国电、河北电力勘测设计院、浙江国利英核等单位相关负责人莅临出席并发表主题演讲。来自行业协会、研究机构、投资机构、国内主要发电公司、光伏企业、媒体的近百位嘉宾共同出席了本次会议。会议就集散式逆变器应用方案、分布式电站设计、浙江省分布式现状等问题进行了深入的讨论。 

国电光伏工程设计部经理邓平先生在会上发表了集散式相关专题的主题演讲。

邓平：各位业内同行，大家好，今天是周末，非上班时间，我代表个人很荣幸能有机会和各位专家进行集散式逆变技术交流。

对于集散式光伏逆变器，我是从2012年开始接触及参与试用工作，也有幸见到禾望的三代集散技术的发展，我们认为禾望这种敢于创新，敢于突破，并专业和认真做产品的精神是值得我们光伏技术人员学习的。

从过去以来试用的100余MW光伏电站运行情况及技术改进情况，现与各位专家分享以下各项：

一、技术选择可行性分析
在任何既定条件和既定时间下，光伏(PV)电池具有单个工作点值电流(I)和电压(V)，将产生最大功率点(MPP)，从而使来自电池板的太阳能产生最大功率输出。电池板产生的功率是施加的电压乘以电流(P=V×I)。电池的单个MPP是电流与电压之间的指数关系的函数。MPPT是一种电子形式的跟踪技术，利用算法和控制电路来探索这个最大功率点，从而使转换器电路可以从PV电池中获取最大功率。

现有技术要使太阳能逆变器的效率提高 1%非常困难，然而由于系统设计不当，而导致发电效果降低10%的情况，却并不少见，有些甚至可能导致系统无法长期正常运行。从这个事实出发，对逆变器设计提出了新的要求，即满足更加灵活的系统配置。

在单路MPPT追踪的情况下，所有的PV组件串接起来，接入逆变器，如果组串中有PV组件失效情况发生，则该路的整体MPPT效率会受到影响，从而有可能使得系统的效率大大下降，无论逆变器有多高的转换效率和追踪效率，都无法发挥作用。为了减少这种失效带来的系统效率降低的风险，采用多路独立MPPT追踪的技术能够减小单路MPPT失效带来的损失，给系统的配置带来了更大的灵活性。

由于采用了新型的拓扑设计，提供了多路的MPPT追踪通道，单通道的效率依然可以做到很高，但同时给我们用户提供了更加灵活的系统配置以及降低了潜在的系统效率损失的风险，毫无疑问多路MPPT追踪是受用户欢迎的一个新功能。

在具体实施策略上，一个系统中分散式MPPT的配置需要在成本与效率之间取得平衡。愈多具有MPPT功能的DC/DC变换器就愈能降低阴影效应的影响，并提升系统的转换效率，不过，这也会增加系统的成本。集散技术在具体实现过程中，把分散式MPPT内置于汇流箱中，安排汇流箱的3组或4组组串输入做1个MPPT，16路的汇流箱就有4组MPPT，对应1MW就有60~80组MPPT，比原来的集中式逆变器只有1个MPPT的方案多出几十倍的跟踪效果。

同时汇流箱除了MPPT外还进行升压输出，保持汇流箱输出电压在较高点820V运行，这样可以提高逆变器的输出端口，如从270Vac/315Vac提高到520Vac输出，此时逆变器及逆变器到箱变支路的输出电流成比例下降，可以大大降低这两部分的成本和损耗。 以下将从损耗、算法方面进行分析：

1.1 DC/AC逆变损耗差异
1）270Vac/1070A输出、420~900V输入（满载550V） IGBT: 1200V/450A 6个并联 （按500KW计算）
IGBT的损耗计算：3相*6管*2*190.6W=6.86kW
（如下计算，在1070A电流下，每个IGBT和二极管单体的损耗157+33.6=190.6W，一个半桥模块的损耗为190.6*2=381.2W，每相6个并联，共3相） 2）520Vac/482A输出、820V输入 （按照500KW计算）
IGBT: 1700V/450A 3个并联
IGBT损耗计算：3相*3*2管*301.5W=5.43kW
（如下计算，在482A电流下，每个IGBT和diode单体的损耗261.7+39.8=301.5W，一个半桥模块的损耗为301.5*2=603W，每相3个并联，共3相） 3）总结1MW整机，电压提高到520Vac后的损耗变化
① IGBT和二极管损耗降低：2*（6.86-5.43）=2.86kW）
（开关损耗为p=ui，所以可以简单理解为电压升高、电流下降对应开关损耗不变，但是导通损耗下降）
② 把电压由270V提高到520V后，电抗、铜排及断路器和接触器开关及电缆的损耗预计会降低1.2kW
③1MW改用一台单机后，相对原来两台500kW，风扇功率会降低1kW
④综合预计，电压提高后逆变器的损耗降低约5kW/1MW

1. 2 汇流箱到箱变电缆损耗变化
1）原来每个汇流箱输出的满载工作电压为550V，电流为120A，采用70mm2电缆，现在改为工作电压为820V，电流对应为78A；假定采用相同的电缆
2）原来的损耗：P=I2*R=120*120*0.01446（50米70mm2电缆的直流电阻）=208W
现在的损耗：P=I2*R=78*78*0.01446=88W
4）对应1MW的损耗变化：16 *2 *（208-88）=3.84kW（16个汇流箱，每个±两根线。
5）综合：实际考虑螺钉接线的损耗，功耗可以降低4kW/1MW。
附录①：铜导线电缆的等效电阻计算
附录②：某20MW光伏电站之1MW单元中汇流箱到逆变器、逆变器到箱变的距离计算
从上述分布图可以看出，箱变到逆变器室的最短直线距离4.8米，所以预计逆变器到箱变的交流电缆有10米；汇流箱到逆变器的平均距离27+25=52米

1.3 DC/DC汇流源增加的损耗
若两组电池串（额定16A, 最大20A）作为一个单元 1）主电路参数设计：

2）典型工况：
输入电压 550V
输入平均电流 16A
开关频率 40kHz
主开关管占空比 0.39
输出电压 900V

3）各功率器件电流仿真波形： 4）根据器件资料和电流波形计算主功率器件损耗：

由于二极管的导通损耗，等效于原汇流箱中的防反二极管损耗，所以实际增加的损耗为66-16*0.9=51.6W，每个汇流箱增加的损耗51.6*8=413W
1MW需要的MPPT单元个数及其总损耗：
如果8个MPPT单元为一组做为一个模块，则1MW至少需要16个这样的模块，总损耗为51.6*8*16=6.6KW。

以上合计功耗降低2.4KW/MW。 相当于一台S9变压器的待机功耗，节能较为可观。

1.4软件算法及保护逻辑措施
1）逆变器
集散之逆变器要求与电网锁相、并网，稳定母线电压，输出有功；必要时根据调度指令发无功电流。
方案要求低压穿越模式/高压穿越模式 要求响应速度快
1）逆变器尽最大能力吐能量
2）汇流箱根据母线电压的升高自动退出MPPT，进入限脉宽工作
方案要求主控限功率模式：响应时间要求不快
1）逆变器维持母线电压，输出有功；接受指令发无功
2）让汇流箱接受来自逆变器的指令（=P/N），考虑损耗等，指令中的P可以接受一定的校正，限功率运行。
2）汇流箱
集散要求汇流箱（光伏控制器）在没有限功率指令时进行MPPT （变电池电压Vin，求取功率），尽最大能力输出能量发电。
由上可知，软件算法及保护逻辑要求与目前相关国家要求相符。

结论 ：
通过以上论证发现：“集散式逆变光伏电站技术”能够实现整体发电效率的提升诉求；此架构同时也具有简化逆变器的设计、降低EMI电磁干扰、延长使用寿命等许多好处，同时其软件算法和保护逻辑与现有电网要求相符，该技术是切实可行的。

二、集散与集中式逆变器的运行参数对比：
MPPT前置于控制器中与MPPT后置于变流器中对控制器（汇流箱）寿命的影响

线路损耗对比：
以50MW系统为例
根据损耗计算公式：

P：输出功率；U：输出电压；
ρ ：电阻率；L：电缆长度；S：电缆截面积
计算线路损失时，
1）按照光伏组件的平均工作状态考虑，即辐照度为800W/m2时：
P=193W、U=28.3V、I=6.84A（同取一电池参数）
2）铜导线电阻率按0.02162Ωmm2/m（ 80℃环境时的电阻）。

表1集中式逆变器线路损耗计算

表2集散式逆变器线路损耗计算

表3组串式逆变器线路损耗计算


总结：
三种型式逆变器线路损耗对比

逆变器自身损耗对比，集中与集散式：

与国外同类产品的技术点区别：

技术参数区别

基于以上各项，结合实际运行同等情况下发电量提升3%的工况数据，我们认为集散逆变器技术属改良性创新技术，本身基于已经成熟的集中逆变器技术，运行稳定，值得推广与应用。